Aplicación de conceptos de cierre de válvulas a sistemas de tuberías de procesos complejos

Un fenómeno llamado golpe de ariete puede provocar situaciones peligrosas, como el colapso de tuberías y el desprendimiento de tuberías de sus soportes. El golpe de ariete ocurre cuando grandes o pequeños aumentos repentinos de presión pasan rápidamente a través de un sistema de tuberías. No sólo suena terrible, sino que puede ser increíblemente destructivo. El golpe de ariete es el proceso que sufre un sistema de tuberías a medida que pasa de una operación de estado estable a otra. Está presente en todos los sistemas de tuberías y no se limita únicamente a los sistemas de agua. Un golpe de ariete puede ser causado por cambios operativos planificados, así como por alteraciones repentinas no planificadas.

A veces, los usuarios afirman que no tienen golpes de ariete en su sistema, lo cual no es cierto. Incluso cuando se pone en marcha una bomba, se introducen golpes de ariete en el sistema. Lo que debe determinarse es qué causa el golpe de ariete y qué tan grave puede ser.

Los códigos de tuberías B31.3 y B31.4 de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) son estándares que se aplican ampliamente a los sistemas de tuberías.1 En ASME B31.3 para tuberías de proceso, la sección 301.2.2 analiza la contención o alivio de presión requerida. La Sección 301.2.2 establece lo siguiente:

a) Se deberán tomar medidas para contener o aliviar de manera segura cualquier presión a la que pueda estar sometida la tubería. Las tuberías que no estén protegidas por un dispositivo de alivio de presión, o que puedan aislarse de un dispositivo de alivio de presión, deberán diseñarse para al menos la presión más alta que pueda desarrollarse.

b) Las fuentes de presión a considerar incluyen influencias ambientales, oscilaciones y picos de presión, operación incorrecta, descomposición de fluidos inestables, carga estática y falla de los dispositivos de control.

c) Las provisiones del párr. 302.2.4(f) están permitidos, siempre que se cumplan los demás requisitos del párr. También se cumplen 302.2.4.

Esto requiere que los diseños del sistema tengan en cuenta las altas presiones. En otras secciones se analiza qué son las variaciones ocasionales de presión y qué se puede permitir. ASME B31.4 para “Sistemas de transporte por tuberías para hidrocarburos líquidos y otros líquidos” también aborda las presiones de diseño interno y menciona “se permite el aumento de presión por encima de la presión operativa máxima en estado estacionario debido a sobretensiones y otras variaciones de las operaciones normales de acuerdo con el párr. 402.2.4.” En la sección 402.2.4, establece: "Se deben realizar cálculos de sobretensión y se deben proporcionar controles y equipos de protección adecuados para que el nivel de aumento de presión debido a sobretensiones y otras variaciones de las operaciones normales no exceda la presión interna de diseño en ningún momento". punto en el sistema de tuberías y equipos en más del 10%”.

En general, los golpes de ariete y los aumentos repentinos de presión deben cuantificarse y abordarse para proteger el sistema. El golpe de ariete se puede introducir de muchas formas. El ejemplo clásico es el del cierre rápido de una válvula y se utiliza a menudo para ayudar a describir los conceptos de golpe de ariete. La literatura sobre golpes de ariete cubre los eventos de cierre rápido de válvulas con bastante frecuencia como las causas más potenciales y desastrosas del golpe de ariete. Sin embargo, el golpe de ariete también puede ser causado por eventos de disparo de la bomba, eventos de arranque de la bomba, sobrepresurización que hace que las válvulas de alivio se abran y cierren, fallas de las válvulas de control, cierres de las válvulas de retención, etc.

El ejemplo clásico de cierre rápido de válvula que se utiliza a menudo para describir el golpe de ariete normalmente analizará la ecuación de Joukowsky, que se utiliza para calcular el aumento de presión teórico máximo para un evento instantáneo. La ecuación de Joukowsky depende de la densidad del fluido, la velocidad de onda del fluido y el cambio de velocidad.2 La ecuación de Joukowsky se puede aplicar a cualquier cosa que cause un cambio instantáneo de velocidad. Usar la ecuación de Joukowsky para determinar la sobrepresión teórica máxima es un punto de partida útil. Sin embargo, hay ocasiones en las que es posible experimentar aumentos repentinos de presión mayores de lo que predice la ecuación.

Un ejemplo de casos en los que esto puede suceder es si hay cavitación transitoria presente en un sistema o empaquetadura de línea. Dicho esto, el ejemplo del cierre rápido de la válvula es una excelente manera de comprender el golpe de ariete. Hay varios métodos disponibles para cuantificar la respuesta de la presión durante un golpe de ariete, y estos cálculos pueden ser complicados y arduos. Un método es el Método de las Características, que resuelve las ecuaciones de equilibrio transitorio de masa y momento en un enfoque de cuadrícula característica.4 Aplicar estos cálculos a un ejemplo de cierre de válvula para determinar cómo cambia la sobrepresión en la válvula con el tiempo no es demasiado difícil. El desafío es que la literatura a menudo demuestra un ejemplo de cierre rápido de una válvula en el contexto de una única ruta de flujo de tubería recta con agua y rara vez proporciona orientación o demuestra cálculos para un sistema más complejo con múltiples rutas de flujo, bombas, dispositivos de supresión de sobretensiones, etc.

Se puede crear una hoja de cálculo utilizando el Método de las características para resolver las presiones y caudales cambiantes en un sistema de tuberías más complejo, multiramificado o en bucle. Sin embargo, la hoja de cálculo sería grande y poco práctica. El software de análisis de golpes de ariete es una herramienta útil que puede ayudar a realizar un análisis de golpes de ariete para sistemas simples o complicados sin requerir un estudio de doctorado en teoría del golpe de ariete. El software de análisis de golpes de ariete a menudo adopta un enfoque unidimensional para resolver el sistema de caudales transitorios, presiones, velocidades, etc. Esto puede ayudar a los ingenieros a obtener una mejor comprensión para determinar la causa raíz de los problemas existentes o los accidentes relacionados con los golpes de ariete, o para enfoques preventivos ante nuevos diseños o cambios operativos.

Considere un modelo de análisis de golpe de ariete para la planta de gas natural licuado (GNL) en la Imagen 1. Esta planta estaba en proceso de expansión e inicialmente tenía tres bombas operando en paralelo. La ampliación traería dos bombas adicionales y una tercera actuaría como repuesto. Tenga en cuenta que hay dos juegos de bombas con su propio tubo ascendente que se conectan a un cabezal principal. Posteriormente, el flujo se divide y conduce a dos válvulas de descarga separadas. Los tramos de tubería resaltados en azul son tramos donde se requieren cargas de fuerza transitoria para el análisis de tensión de la tubería. El tramo de tubería resaltado en verde es una única ruta de flujo continuo desde la bomba P-101C hasta la válvula LV-1564A2.

Un análisis de golpe de ariete implica más que verificar la presión en una válvula de cierre. Las ondas de presión transitorias se propagan a través de un sistema de tuberías a varios miles de pies por segundo y los patrones de ondas pueden tener interferencias que pueden provocar efectos desastrosos. Es comprensible que las tuberías puedan romperse ante picos de alta presión, pero las bajas presiones pueden ser igualmente problemáticas. Si hay presiones subatmosféricas, esto puede provocar el colapso de las tuberías. Si se produce cavitación transitoria cuando la presión ha alcanzado la presión de vapor, pueden producirse grandes picos de presión, que son como un gran globo que explota dentro de una tubería. Este puede ser especialmente el caso de una instalación de GNL debido a que la presión de vapor no es tan baja como la del agua.

Con la tarea de completar un análisis del golpe de ariete para la expansión de esta instalación, es importante comprender cuáles serían los impactos del golpe de ariete en el sistema existente. Un escenario que se puede modelar es el ejemplo clásico del cierre de válvula. En la Imagen 1, las dos válvulas de descarga en la salida del sistema se cerrarán en tres segundos con un perfil de cierre de válvula lineal. Los cierres rápidos de válvulas provocan grandes picos de presión. Un estudio de golpe de ariete puede implicar varios escenarios en los que las válvulas se cierran a diferentes velocidades para ver qué tan rápido es demasiado rápido y qué tan lento es lo suficientemente lento. A menudo se asumen cierres de válvulas lineales y, por lo general, cerrar una válvula durante períodos de tiempo más largos puede ayudar a mitigar las presiones de golpe de ariete observadas. Sin embargo, este no es siempre el caso. A veces, con tipos específicos de válvulas, es posible que el cambio en las presiones y los caudales en el sistema no se observe hasta el último porcentaje del cierre. Por lo tanto, es posible que cerrar las válvulas durante períodos de tiempo más prolongados no siempre sea útil.

También es importante considerar la característica de la válvula porque la forma en que se cierra la válvula puede tener un impacto mayor en la reducción del aumento de presión que el tiempo que la válvula permanece cerrada. Por ejemplo, Swaffield & Boldy recomienda que durante un tiempo determinado de cierre de la válvula, si el 80% del cierre de la válvula se logra en el primer 20% del tiempo que lleva cerrar la válvula, y luego el 20% restante del cierre de la válvula durante el Cuanto más tiempo quede para el cierre de la válvula, se puede reducir el aumento de presión resultante.5 Un ejemplo en la Imagen 2 compara dos tasas de cierre de válvula diferentes para una tubería de transferencia de amoníaco entre el barco y la costa. La ruta de flujo superior en la Imagen 2 utiliza un cierre de válvula lineal de dos segundos, mientras que la ruta de flujo inferior también usa un cierre de válvula de dos segundos pero emplea el perfil de cierre 80/20 recomendado por Swaffield & Boldy.

Como se ve en la Imagen 2, la pauta 80/20 reduce la sobrepresión transitoria al cerrar la válvula en comparación con el caso con el mismo tiempo de cierre con un perfil de cierre lineal. Esto muestra que el perfil en el que se cierra una válvula también marca la diferencia en la reducción del golpe de ariete, al igual que el cierre de válvulas durante períodos de tiempo más largos. Si no, el perfil tiene más impacto. Por lo tanto, se puede dedicar un estudio completo de análisis de golpe de ariete para determinar los tiempos y perfiles de cierre de válvulas apropiados que pueden ayudar a los sistemas de control a prevenir problemas.

Los parámetros importantes a evaluar incluyen las presiones mínima y máxima en el sistema y cómo se comparan con la presión de operación máxima permitida. Otras cosas a evaluar incluyen la posible presencia de formación de vapor si hay cavitación presente en el sistema, el rendimiento transitorio de los componentes, como cómo puede cambiar la velocidad de una bomba si se produce un disparo, cómo pueden variar la presión de succión y descarga y el caudal. cambiar a través de una bomba durante un evento transitorio, cómo puede circular un alivio durante una situación de sobretensión, etc.

Las imágenes 3 y 4 proporcionan el perfil de presión máxima y mínima para la ruta de flujo resaltada en verde del sistema en la Imagen 1. La Imagen 3 contiene los resultados para el escenario previo a la expansión y la Imagen 3 proporciona los resultados del escenario posterior a la expansión. En ambos gráficos de las Imágenes 3 y 4, la línea verde en el gráfico es la presión a lo largo de la trayectoria del flujo en el momento exacto en que las válvulas se cierran a los tres segundos.

La presión transitoria a lo largo de la trayectoria del flujo a los tres segundos representada por la línea verde en los gráficos de las Imágenes 3 y 4 es similar. Los resultados para el escenario posterior a la expansión con bombas adicionales en funcionamiento son similares a los resultados previos a la expansión. Al comparar los perfiles de presión máxima en las Imágenes 3 y 4, el escenario posterior a la expansión da como resultado presiones transitorias más altas. La razón de esto se debe al empaquetamiento de la línea y al mayor flujo en el sistema porque las bombas aún están funcionando. Este es otro ejemplo de dónde las presiones transitorias pueden ser mayores que la predicción de la ecuación de Joukowsky. La imagen 5 muestra más claridad de resultados similares con las presiones transitorias en la entrada de las válvulas de cierre a lo largo del tiempo. Las presiones posteriores a la expansión en la entrada de la válvula son más altas que las de los escenarios previos a la expansión, pero siguen siendo similares.

Al examinar los tramos de fuerza del recorrido de la tubería en azul (Imagen 1), los tramos de fuerza que tienen las cargas de fuerza transitorias más altas en ambos escenarios ocurren en los tramos de fuerza 3 y 6. La carga de fuerza más grande puede ocurrir en la válvula que se cierra, pero esto no es así. siempre es el caso. Hay muchos efectos hidráulicos que impactan las cargas de fuerza transitorias y simplemente multiplicar la presión por el área en una ubicación no proporciona los valores de fuerza correctos. El software de análisis de golpes de ariete considera inherentemente los efectos de fricción y de momento y los incluye fácilmente en los cálculos de carga de fuerza.6 Como se muestra, no es fácil suponer en qué tramo de fuerza se producirán las fuerzas transitorias más grandes. Además, es posible que las fuerzas más grandes no Siempre ocurre cuando una válvula se cierra y puede ocurrir más adelante en la simulación. Esto puede deberse a cómo las ondas de presión interfieren entre sí en un sistema complejo como en la Imagen 1.

La buena noticia para la planta de GNL en la Imagen 1 es que la expansión no resultó en presiones transitorias superiores a la presión máxima permitida del sistema ni generó cargas de fuerza transitorias más altas. La velocidad de onda en este sistema es aproximadamente la mitad de la velocidad de onda típica. Si hubiera un fluido diferente en este sistema, los resultados podrían ser más desastrosos y si el sistema no se analizara cuidadosamente previamente, incluidos los cálculos de fuerza, esto fácilmente podría descubrir un conjunto completamente nuevo de problemas. Además, también se deben evaluar muchos otros escenarios, como escenarios de arranque de bombas, escenarios de disparo de bombas en los que todas las bombas se disparan juntas o una bomba se dispara por sí sola, lo que podría provocar un gran cierre de válvula de retención y más.

Referencias

Códigos relacionados con el golpe de ariete: ASME B31.3 Y B31.4, waterhammer.com/en/blog/design/codes-concerning-waterhammer-asme-b31-3-and-b31-4

“Golpe de ariete: qué y por qué”, pumpsandsystems.com/water-hammer-what-why

“Cuando la ecuación de Joukowsky no predice las presiones máximas de golpe de ariete”, aft.com/documents/technicalpapers/2019_pvpjournal_when-the-joukowsky-equation-does-not-predict-maximum-water-hammer-pressions.pdf

“Transitorios de fluidos en sistemas”, E. Benjamin Wylie y Victor L. Streeter, primera edición, 1993

"Aumento de presión en sistemas de tuberías y conductos", JA Swaffield y Adrian P. Boldy, 1993

“Evaluación de cargas dinámicas en sistemas de tuberías causadas por golpes de ariete”, J. Wilcox y T. Walters, 2012, aft.com/white-papers/evaluating-dynamic-loads-in-piping-systems-caused-by-waterhammer

Ben Keizer es consultor técnico de ventas de Applied Flow Technology (AFT). Keizer tiene una licenciatura en ingeniería química de la Escuela de Minas de Colorado. Puede comunicarse con Keizer en [email protected]. Para obtener más información, visite www.aft.com.